农林用履带式动力平台液压控制系统设计

2021-02-08张兴财

农业开发与装备 2021年1期

张兴财，王霜，2*，罗龙

（1.西华大学机械工程学院，四川成都 610039；2.西华大学现代农业装备研究院，四川成都 610039）

0 引言

随着竹产业的发展，对农林业作业机械的需求越来越高。四川全省的竹产区大部分处于丘陵山地地区，地形起伏较大、复杂多变。针对竹采伐的机械自动化程度低、效率低的情况，配合竹采伐的机械相对较少。现阶段竹采伐绝大部分是人工采伐，采伐效率不高，且人工成本昂贵，采伐工人的劳动强度大，使得竹产业的经济效益低，发展落后。因此，研究开发一种针对丘陵山地的遥控竹采伐动力平台具有重要的现实意义。

作业平台以行进方式来区分，轮式作业平台和履带式作业平台运用最为广泛。轮式作业平台结构简单，行走灵活且控制简单，但在地形较为复杂的地区适应性不高[1]。履带式作业平台能适应复杂地形，更适合山区作业，且能够原地进行转弯，但结构较为复杂，控制要求更高[2-3]。履带式作业平台集“作业”、“运输物料”等功能为一体，能适应复杂地形环境的多功能移动平台。

1 系统控制方案

动力平台通过控制液压系统达到控制动力平台行驶的目的，液压系统比较与机械式传动更易控制，控制元件更小、更易维护。本动力平台的主控使用的是STM32F103系列单片机，控制包括5个三位四通电磁换向阀、1个二位三通电磁换向阀，2个电磁溢流阀和1个比例流量阀，由以上的器件便可实现动力平台的运动和动力输出。受控器件及其控制的具体功能见表1。

表1 受控器件及其具体功能

基于受控器件的作用和控制所需要的方法特性设计的控制系统示意图如图1所示。同时图中用虚线表示系统能量供应关系。

图1 控制系统示意图

2 硬件系统设计

在对本控制系统的硬件设计最主是对液压回路中的各种电磁换向阀，比例流量阀的控制。受控元件的电压需满足在DC12V。硬件设计框图如图2。

图2 硬件设计框图

2.1 遥控装置驱动模块

动力平台行走控制系统的遥控装置选择的是禹鼎F24-60工业用无线电摇杆式遥控器，可防止摔落及强力碰撞所造成的损坏，IP65防水防尘等级和低耗电等特点，适合农业生产实际的场景要求。

禹鼎F24-60遥控器接收端输出的开关量信号是DC12V的电压，而STM32控制板的引脚所能接收的电平信号最大为3.3 V，因此必须使用中间继电器模块传递遥控器接收端的输出信号，使单片机能够接收处理。图3为单路中间继电器模块、F24-60遥控器接收端和STM32控制板的连接示意图。

图3 中间继电器模块连接示意图

2.2 电磁阀驱动模块

图4 电磁阀驱动模块连接示意图

2.3 比例阀驱动模块

动力平台行走系统的比例流量阀的型号为华益DAPV72-30。比例阀驱动模块包括比例输出模块和放大器模块。比例输出模块的作用是将STM32控制板的GPI0引脚输出的比例信号（0～3.3 V）转换成比例流量阀输入电流控制信号（0～20 mA）。本文的比例输出模块选用的是淮北华电HDH-21直流隔离变送器，此模块输入输出成线性比例关系。而放大器模块选用的是华益USDAS1放大器，该模块支持控制信号为0～20 mA的直流电流信号和0～5 V的直流电压信号用以匹配华益DAPV72-30比例流量阀。图5为比例阀驱动模块与STM32控制板和比例调速阀的连接示意图。

图5 比例阀驱动模块连接示意图

2.4 电源模块

动力平台行走控制系统的电源来自发动机的蓄电池（DC12V），控制系统的所有零部件需满足DC12V。本文的供电电源选用的是天威动力DC12V7AH蓄电池，用于控制测试系统供电。本文电源分线端子选用了辰川FM02-12D-42，可以分成12个并联输出电源。而DC12V电源不能直接给STM32控制板供电，需稳压模块将蓄电池的电压降压才能给STM32开发板供电。

3 软件系统设计

控制系统的硬件系统是骨架，软件系统则是大脑。软件系统指导硬件完成相应的功能，这些功能在不同的或者相同的时间空间之中执行，用以完成设计者给定的预定功能。本文的软件系统开发基于C0rtex-M3内核。所用到的GPI0引脚以及其对应的功能如表2所示。

表2 STM32控制板引脚功能分配

续表2 STM32控制板引脚功能分配

本系统实现的人机交互是用户对遥控器上相应的按键和摇杆的操作，使动力平台实现相应的动作。遥控的按键、摇杆的编号和它们对应的功能如表3。

表3 STM32控制板引脚功能分配

3.1 软件思路

行走控制系统上电后先进行系统初始化设置，初始化完成后行走控制系统进入正常工作状态，等待当遥控器发射端的摇杆或按键按下，遥控器接收端输出开关量信号给STM32控制板，经过STM32控制板的分析运算，输出相应的开关量信号和比例量信号，通过驱动模块放大来控制对应的电磁阀和比例阀，从而实现对动力平台的行走控制。系统的执行流程如图6。

图6 软件流程图

3.2 主程序设计

主程序流程如图7所示。STM32控制板上电后，进行系统初始化，对所用到的GPI0引脚进行初始化设置，最后设定好初始参数，系统将进入正常工作的循环。

系统在正常工作循环时，表3所示的PE0～PE4、PE11～PE12和PF0～PF9引脚接收遥控器接收端输出的开关量信号，接收到信号后执行对应的子程序，子程序控制表2所示的PB11～PB14、PD9～PD15和PC6～PC8输出开关量信号，PA0～PA3输出比例量信号。

图7 主程序流程图

3.3 行走控制程序

动力平台行走控制程序包括：低速和高速模式子程序、驻车子程序、遥控器掉电保护子程序、刹车子程序、加档子程序、减档子程序、左转弯子程序、右转弯子程序和油门加减档子程序。行走控制程序流程如图8所示。

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其中，掉电保护子程序的实现是通过将禹鼎F24-60遥控器右摇杆的左1档和右1档设定为常闭输出，当遥控器接收端上电后，PF8和PF9接地，掉电保护子程序不会触发，当遥控器接收端意外断电或是故障断电时，PF8和PF9悬空，此时就触发掉电保护子程序。

图8 行走控制程序流程图

低速模式与高速模式的切换是通过遥控器的2位置开关（A）来控制，当2位置开关（A）断开时PF0悬空，执行低速模式子程序；当2位置开关（A）闭合时PF0接地，执行高速模式子程序。

驻车是通过遥控器的2位置开关（D）来控制，当2位置开关（D）断开时PF7悬空，未执行驻车子程序；当2位置开关（D）闭合时PF7接地，执行驻车子程序。驻车子程序的作用是在动力平台停车时防止操作者误触摇杆，只有当2位置开关（D）断开时加减档子程序才能执行。

刹车子程序、加档子程序、减档子程序、左转弯子程序、右转弯子程序和油门加减档子程序由中断来触发执行。刹车的中断抢占优先级最高，其次是油门加减档，加档、减档、左转弯和右转弯的抢占优先级最低且相同。

刹车是通过遥控器的备用按键F1来控制，当备用按键F1未按下时PE0悬空，未触发中断；当备用按键F1按下时PE0接地，执行刹车子程序。

油门加减档是通过遥控器右摇杆上1和下1的输出来控制，右摇杆上1和下1都未接通时，PE11和PE12都悬空，未触发中断；当右摇杆上1接通时PE11接地，当右摇杆下1接通时PE12接地，都会触发中断EXTI15_10，执行油门加减档子程序。

加档、减档、左转弯和右转弯是通过遥控器左摇杆上1、下1、左1和右1的输出来控制，左摇杆上1、下1、左1和右1都未接通时，PE1、PE2、PE3和PE4都悬空，未触发中断；当左摇杆上1接通时PE1接地，触发中断EXTI1，执行加档子程序；当左摇杆下1接通时PE2接地，触发中断EXTI2，执行减档子程序7；当左摇杆左1接通时PE3接地，触发中断EXTI3，执行左转弯子程序；当左摇杆右1接通时PE4接地，触发中断EXTI4，执行右转弯子程序。

3.4 动力输出控制程序

动力输出控制程序包括：后置动力输出马达动作子程序、后置动力输出举升液压缸动作子程序、前置绞盘马达动作子程序。动力输出控制程序流程如图9所示。

由于后置动力输出马达、后置动力输出举升缸和前置绞盘马达都是接在液压泵的7出油口回路中的，所以后置动力输出马达的正转和反转、后置动力输出举升缸的举升和下降、前置绞盘马达的正转和反转这六个动作同时只能一个在进行。这六个动作分别是通过遥控器的3位置开关（C）的左位和右位、备用按键2和备用按键4、3位置开关（B）的左位和右位来控制且这六个动作在动力平台行驶时和驻车时都能进行，来完成不同的作业要求。